TWI420903B - Drag the bright shadow correction method - Google Patents
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Description
本發明係關於一種光學量測中所應用之補正方法，特別是指一種拖曳亮影(smear)現象補正方法。
在光學量測之技術領域中，由於部分電荷耦合器(Charge Coupled Device;CCD)，例如行間轉換電荷耦合器(Interline Transfer Charge Coupled Device;IT CCD)，以及框幅式轉換電荷耦合器(Frame Transfer Charge Coupled Device;FTCCD)，係採用電子式快門而無實體快門機構阻斷光線，在取像結束進行資料傳輸的同時，光線仍會持續射入CCD並一併受CCD感應，在感測影像中形成至少一拖曳亮影(smear)。
請參閱第一圖至第一B圖，其係CCD光線感應原理之邏輯示意圖。如圖所示，以IT CCD為例，CCD包含一第一數量(w)個CCD感應欄1(於此以w=4為例)，各CCD感應欄1又包含一第二數量(h)個CCD感應胞(Cell)11(於此以h=5為例)，使CCD具有w×h個上述之CCD感應胞11，而使CCD之感測影像會具有w×h個分別對應於上述w×h個CCD感應胞11之像素。
各CCD感應胞11包含一感光胞111與一電荷暫存胞(Charge Register)112。感光胞111係用以感應入射光線，並將入射光線轉變為一感應電荷量4。電荷暫存胞112電性連結於感光胞111以接收該感應電荷量4。另外，CCD感應欄1中之h個電荷暫存胞112串聯成一位移暫存器(Shift Register)2，位移暫存器2電性連結於一讀出暫存器(Readout Register)3。
當一曝光取像行程結束，CCD感應欄1中之h個感光胞111會同時將所具有之感應電荷量4(圖式中以一黑色圓點做代表)傳送至所對應之電荷暫存胞112。接著，如第一A圖所示，位移暫存器2會將感應電荷量4依序位移傳送至讀出暫存器3，以供讀出暫存器3對該等感應電荷量4進行讀取(Readout)動作，藉以將其轉換為數值。以上為CCD感應光線之基本狀況。
其中，位移暫存器2將感應電荷量4依序位移傳送至讀出暫存器3，係指同步將所有電荷暫存胞112中之感應電荷量4向讀出暫存器3位移一個像素單位。換以言之，即為將最靠近讀出暫存器3之電荷暫存胞112中之感應電荷量4傳送至讀出暫存器3，其餘電荷暫存胞112中之感應電荷量4依序由原本所屬之電荷暫存胞112，傳送至排列於原本所屬之電荷暫存胞112下方之電荷暫存胞112。舉例而言，第5個電荷暫存胞112將所具有之感應電荷量4位移傳送至第4個電荷暫存胞112，第4個電荷暫存胞112將所具有之感應電荷量4位移傳送至第3個電荷暫存胞112，依此類推。
接著，請參閱第二圖與第二A圖，其係在一清除行程中，CCD運作之邏輯示意圖。在前述之曝光取像行程開始前，感光胞111有可能因為感應到若干雜光而產生一未曝光感應電荷量5(圖式中以一點狀剖面線所填充之圓點做代表)。該等未曝光感應電荷量5為不需要的多餘電荷，因此必須先進行一清除(Reset)行程將其清除。如圖所示，在清除行程中，該h個感光胞111會同時將所具有之未曝光感應電荷量5傳送至所對應之電荷暫存胞112，再利用位移暫存器2將未曝光感應電荷量5依序位移傳送至讀出暫存器3，並透過讀出暫存器3將該等未曝光感應電荷量5清除掉。
相較於第一圖至第一B圖所顯示之曝光取像行程結束後CCD感應欄1之作動敘述，在第二圖與第二A圖所敘述的清除行程中，相異之處在於未曝光感應電荷量5被位移至讀出暫存器3後，讀出暫存器3並不會對該未曝光感應電荷量5進行出取動作。取而代之地，則是將其直接清除。因此，位移暫存器2每次依序位移傳送未曝光感應電荷量5所耗用之單位時間，會較依序位移傳送感應電荷量4所耗用之單位時間來的短。
請參閱第三圖，其係CCD光學量測行程中，簡易時間軸之示意圖。如圖所示，在清除行程中，位移暫存器2係在每一位移清除時間Δτ2
將未曝光感應電荷量5向讀出暫存器3位移傳送，在一曝光時間τ進行曝光取像行程，並在每一位移讀取時間Δτ1
將感應電荷量4向讀出暫存器3位移傳送。其中，由於未曝光感應電荷量5被傳送至讀出暫存器3後並不會被花時間讀取，可快速進行下一輪位移傳送，因此位移清除時間會較位移讀取時間來的短。
接下來，請參閱第四圖至第四E圖，其係拖曳亮影產生原理之邏輯示意圖，亦為在清除行程中之t0~t5時間點時，位移暫存器之作用示意圖。以下將以h=5、j’=2為例，將CCD感應欄1中之CCD感應胞11由下至上依序排序為第1~第h個，其中第j’個CCD感應胞11係產生漏光的現象。
如第四圖所示，該h個感光胞111將感應不需要雜光所產生之未曝光感應電荷量5，分別傳送至所對應之電荷暫存胞112。如第四A圖所示，在t1時間點時，位移暫存器2中第1~第h個之電荷暫存胞112將所具有之未曝光感應電荷量5，同步向讀出暫存器3的方向位移一個像素單位。而第1個電荷暫存胞112會將所具有之未曝光感應電荷量5傳送至讀出暫存器3。
在進行位移動作的同時，仍有部分光線不間斷地洩露至第2個(第j’個)CCD感應胞11，造成部分的感應電荷洩露至第2個(第j，個)電荷暫存胞112。如此，使得第2個電荷暫存胞112在這段位移清除時間Δτ2
中(t0~t1)，產生一額外的清除漏電荷量42a(在圖式中係以一斜線填充之小圓點作代表)。
如第四B圖所示，在t2時間點時，該清除漏電荷量42a會與原本之未曝光感應電荷量5一同被位移至下一像素單位。同時，第2個電荷暫存胞112再度重新產生另外一個清除漏電荷量42a。如第四C圖所示，在t3時間點時，清除漏電荷量42a與未曝光感應電荷量5一同被傳送至讀出暫存器3中而被清除。
然而，如第四D圖與第四E圖所示，在t4與t5時間點時，由於第2個電荷暫存胞112在每個時間點持續產生清除漏電荷量42a，使得一開始的5個(h個)未曝光感應電荷量5在清除完畢後，第1個與第2個之電荷暫存胞112仍各自殘存一清除漏電荷量42a。
請參閱第五圖至第五E圖，其係拖曳亮影產生原理之邏輯示意圖，亦為在曝光取像行程結束後，t6~t11時間點時之位移暫存器之作用示意圖。清除行程結束後進行曝光時間為τ的曝光取像行程，曝光取像行程結束後，如第五圖與第五A圖所示，在t6與t7時間點時，位移暫存器2中第1~第h個之電荷暫存胞112會自所對應之感光胞111接收曝光取像行程中所感應之感應電荷量4，並將所具有之感應電荷量4向讀出暫存器3的方向位移一個像素單位。
相同地，在進行位移動作的同時，第2個(第j’個)CCD感應胞11仍會不間斷地洩露部分的電荷至所對應之第2個(第j’個)電荷暫存胞112，使得第2個電荷暫存胞112在每一位移讀取時間Δτ1
中，再度產生一額外的讀取漏電荷量42b(在圖式中係以一斜線填充之大圓點作代表)。此時，原本第五圖中第3個電荷暫存胞112中之感應電荷量4，在t7時間點時，會轉變為由所述之讀取漏電荷量42b與一實際影像電荷量41組成。其中實際影像電荷量41為原本之感應電荷量4。
換以言之，此時的感應電荷量4實際上是由實際影像電荷量41加上讀取漏電荷量42b所組成的。所以顯現在感測影像上，會產生亮度值較真實影像高的情況。以上情況會發生在第3個(第j’+1個)到第5個(第h個)電荷暫存胞112，故會在第(j’+1)個~第h個像素之間形成所述之拖曳亮影。
同時，請繼續參閱第五圖至第五E圖。由於在t1~t5時間點之清除行程後，第1個與第2個之電荷暫存胞112仍分別殘留一清除漏電荷量42a，故第1與第2個電荷暫存胞112之感應電荷量4，會轉變為由所述之清除漏電荷量42a與實際影像電荷量41所組成。同樣地，也會造成感測影像中亮度值較真實影像高的情況。以上情況會發生在第1~第2個(第j’個)電荷暫存胞112，故會在第1個~第j’個像素之間形成所述之拖曳亮影。
其中，第1~第j’像素之拖曳亮影實務上觀察時，會較第(j’+1)個~第h個像素之拖曳亮影黯淡。究其原因，乃位移讀取時間Δτ1
較位移清除時間Δτ2
長所造成。由於位移讀取時間Δτ1
包含讀出暫存器3花在讀取感應電荷量4的時間，所以位移讀取時間Δτ1
會較位移清除時間Δτ2
長，使第j’個CCD感應胞11產生讀取漏電荷量42b的漏光期間，會較產生清除漏電荷量42a的漏光期間長。故，讀取漏電荷量42b會因漏光期間較長，而比清除漏電荷量42a來的大。在視覺上，讀取漏電荷量42b與實際影像電荷41所組成之感應電荷量4，自然也就形成較亮之拖曳亮影。
為了解決上述感測影像中會出現拖曳亮影的問題，本發明係透過演算法設計在軟體上進行拖曳亮影之補正。
有鑒於在習知技術中CCD之感測影像會具有上述之拖曳亮影現象，本發明係提供一種拖曳亮影之補正方法，利用軟體中演算法之設計，計算一聯立方程組中複數個對應各像素之感應電荷方程式，以由一感應電荷量、一實際影像電荷量與一拖曳亮影電荷量所組成之感應電荷方程式中，計算出實際影像電荷量，藉以修正感測影像使其不再具有拖曳亮影。
本發明為解決習知技術之問題，所採用之技術手段係提供一種拖曳亮影之補正方法，以對一電荷耦合器(Charge Coupled Device;CCD)感測一物件時所產生之一感測影像之至少一拖曳亮影進行補正。CCD包含一第一數量(w)個CCD感應欄，各CCD感應欄包含一第二數量(h)個CCD感應胞(Cell)，藉以使CCD具有w×h個上述之CCD感應胞，並使該感測影像具有w×h個分別對應於上述w×h個CCD感應胞之像素。
各CCD感應胞包含一感光胞與一電性連結於該感光胞之電荷暫存胞(Charge Register)，各電荷暫存胞係串聯成一位移暫存器(Shift Register)並電性連結於一讀出暫存器(Readout Register)。其中，拖曳亮影係由該等CCD感應胞中之第j’個CCD感應胞漏光所產生。
該補正方法包含下列步驟：首先，定義一位移讀取時間Δτ1
以及一位移清除時間Δτ2
，並將每一CCD感應胞之受光強度定義為I；在每一CCD感應胞之一曝光時間為τ時，利用位移讀取時間Δτ1
、位移清除時間Δτ2
、受光強度I、CCD之漏光率η以及CCD之受光量-感應電荷量轉換常數k1
，對各CCD感應欄之每一像素建立一感應電荷方程式。其中該感應電荷方程式由感應電荷量、實際影像電荷量與拖曳亮影電荷量所組成。
將h個上述之感應電荷方程式改寫為h個計量運算(count calculation)方程式，並組成一聯立方程組。同時，預設一停止條件，並以疊代法計算聯立方程組。在滿足該停止條件時，終止疊代法計算並獲得各CCD感應欄之各像素之實際影像電荷量所對應之一實際影像電荷計量轉換值，藉以補正感測影像中之拖曳亮影。
相較於習知技術所提供之CCD檢測方法，由於未針對拖曳亮影像現象進行補正，會使檢測結果產生誤差，本發明之拖曳亮影現象補正方法由於利用定義位移讀取時間Δτ1
、位移清除時間Δτ2
與受光強度I等影響因素建立對應各像素之感應電荷方程式，並改寫為計量運算方程式以計算出對應各像素之實際影像電荷量所對應之一實際影像電荷計量轉換值。由此，可獲得各像素經過補正後之實際影像電荷計量轉換值，增進光學量測之準確度，避免拖曳亮影干擾檢測結果。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
請先參考習知技術中對拖曳亮影(smear)生成原因之詳細敘述並一併參閱第三圖至第四E圖。本發明之拖曳亮影現象補正方法係用以對一電荷耦合器(Charge Coupled Device;CCD)感測一物件時所產生之一感測影像之至少一拖曳亮影進行補正，其中物件可為LED發光元件。本發明係分別針對第1~第j’像素以及第(j’+1)~第h像素，分別由一清除漏電荷量42a與一讀取漏電荷量42b所形成之拖曳亮影進行補正。以下列舉本發明之一較佳實施例以供所屬技術領域者據以實施。
首先，定義一位移讀取時間Δτ1
以及一位移清除時間Δτ2
，並將每一CCD感應胞11之受光強度定義為I。該等暫存電荷胞112係在每一上述之位移讀取時間Δτ1
將一感應電荷量4依序位移傳送至該讀出暫存器3，各感應電荷量4包含一實際影像電荷量41與一拖曳亮影電荷量，且該感應電荷量4係藉由感測而獲得。
接著，在每一CCD感應胞11之一曝光時間為τ時，利用該位移讀取時間Δτ1
、該位移清除時間Δτ2
、該受光強度I、該CCD之一漏光率η以及該CCD之一受光量-感應電荷量轉換常數k1
，對各CCD感應欄1之每一像素建立一由感應電荷量4、實際影像電荷量41與拖曳亮影電荷量所組成之一感應電荷方程式，據以從各CCD感應欄獲得一由h個上述之感應電荷方程式所組成之聯立方程組。
其中，上述該h個感應電荷方程式中，第j個感應電荷方程式為：
N j
為上述h個像素中，第j個像素之感應電荷量4；k1
τIj
為上述h個像素中，第j個像素之實際影像電荷量41；為上述h個像素中，第j個像素之拖曳亮影電荷量。
該第j個感應電荷方程式中，為上述h個像素中之第j個像素之一讀取漏電荷量42b，為上述h個像素中之第j個像素之一清除漏電荷量42a。讀取漏電荷量42b與清除漏電荷量42a皆屬於拖曳亮影電荷量。
自上述該h個感應電荷方程式所組成之聯立方程組，可計算出各CCD感應欄1之各像素之上述實際影像電荷量41。首先，依據漏光率η、曝光時間τ與位移讀取時間Δτ1
，計算出一第一漏光關聯參數ε1
。同時，依據漏光率η、曝光時間τ與位移清除時間Δτ2
，計算出一第二漏光關聯參數ε2
。其中ε1
=ηΔτ1
/τ，且ε2
=ηΔτ2
/τ。
依據該第一漏光關聯參數ε1
與該第二漏光關聯參數ε2
，將各聯立方程組中h個上述之感應電荷方程式，改寫為h個計量運算(count calculation)方程式。該h個計量運算方程式中，第j個計量運算方程式係為：
S j
為上述h個像素中，第j個像素之感應電荷量4所對應之一感應電荷計量轉換值。為上述h個像素中，第j個像素之實際影像電荷量41所對應之一實際影像電荷計量轉換值。為上述h個像素中，第j個像素之拖曳亮影電荷量所對應之一拖曳亮影電荷計量轉換值。
在該計量運算方程式中，為上述h個像素中之第j個像素之讀取漏電荷量42b所對應之一讀取漏電荷計量轉換值；為上述h個像素中之第j個像素之清除漏電荷量42a所對應之一清除漏電荷計量轉換值。
透過該計量運算方程式，可計算出該h個拖曳亮影電荷計量轉換值，並透過將各像素之感應電荷量4所對應之感應電荷計量轉換值，扣除拖曳亮影電荷計量轉換值，即可使各像素獲得經過補正後之實際影像電荷量41所對應之實際影像電荷計量轉換值，將感測影像中的拖曳亮影修除。
另外，實務運用上，可利用疊代法計算該h個計量運算方程式，並預設一停止條件，在滿足該停止條件時，終止利用疊代法運算，擷取h個分別對應於各CCD感應欄1中h個像素之實際影像電荷計量轉換值。其中，停止條件可設為一預設次數之迴圈，或者為多次迴圈後值之差異量小於一常數。
接著，為了進一步推廣本發明所揭露之技術，以下將進一步將本發明較佳實施例所揭露之技術彙整為一簡易流程圖，以便在所屬技術領域中具有通常知識者更容易記憶。
請參閱第六圖，其係本發明之拖曳亮影補正方法之簡易流程圖。首先，定義一位移讀取時間Δτ1
以及一位移清除時間Δτ2
，並將每一CCD感應胞11之受光強度定義為I(S110)。在每一CCD感應胞11之一曝光時間為τ時，利用位移讀取時間Δτ1
、位移清除時間Δτ2
、受光強度I、CCD之一漏光率η以及CCD之一受光量-感應電荷量轉換常數k1
，對各CCD感應欄1之每一像素建立一感應電荷方程式，該感應電荷方程式由感應電荷量4、實際影像電荷量41與拖曳亮影電荷量所組成(S120)。
將h個上述之感應電荷方程式改寫為h個計量運算(count calculation)方程式，並組成一聯立方程組(S130)。同時，預設一停止條件，並以疊代法計算聯立方程組(S140)。在滿足該停止條件時，終止疊代法計算並獲得各CCD感應欄1之各像素之實際影像電荷量41所對應之實際影像電荷計量轉換值(S150)，藉以對感測影像中之拖曳亮影進行補正。
藉由上述之本發明實施例可知，本發明確具產業上之利用價值。惟以上之實施例說明，僅為本發明之較佳實施例說明，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者當可依據本發明之上述實施例說明而作其它種種之改良及變化。然而這些依據本發明實施例所作的種種改良及變化，當仍屬於本發明之發明精神及界定之專利範圍內。
1．．．CCD感應欄
11．．．CCD感應胞
111．．．感光胞
112．．．電荷暫存胞
2．．．位移暫存器
3．．．讀出暫存器
4．．．感應電荷量
5．．．未曝光感應電荷量
41．．．實際影像電荷量
42a．．．清除漏電荷量
42b．．．讀取漏電荷量
τ．．．曝光時間
Δτ1
．．．位移讀取時間
Δτ2
．．．位移清除時間
I．．．受光強度
η．．．漏光率
k1
．．．受光量-感應電荷量轉換常數
第一圖至第一B圖 係CCD光線感應原理之邏輯示意圖；
第二圖與第二A圖 係在一清除行程中，CCD運作之邏輯示意圖；
第三圖 係CCD光學量測行程中簡易時間軸之示意圖；
第四圖至第四E圖 係拖曳亮影產生原理之邏輯示意圖；
第五圖至第五E圖 係拖曳亮影產生原理之邏輯示意圖；以及
第六圖 係本發明之拖曳亮影補正方法之簡易流程圖。
Claims (7)
- 一種拖曳亮影(smear)現象補正方法，係用以對一電荷耦合器(Charge Coupled Device；CCD)感測一物件時所產生之一感測影像之至少一拖曳亮影進行補正，該CCD包含一第一數量(w)個CCD感應欄，各CCD感應欄包含一第二數量(h)個CCD感應胞(Cell)，藉以使該CCD具有w×h個上述之CCD感應胞，並使該感測影像具有w×h個分別對應於上述w×h個CCD感應胞之像素，各CCD感應胞包含一感光胞與一電性連結於該感光胞之電荷暫存(Charge Register)胞，該等電荷暫存胞係串聯成一位移暫存器(Shift Register)並電性連結於一讀出暫存器(Readout Register)，該拖曳亮影係由該等CCD感應胞中之第j’個CCD感應胞漏光所產生，該拖曳亮影現象補正方法包含下列步驟：(a)定義一位移讀取時間△τ 1 以及一位移清除時間△τ 2 ，並將每一CCD感應胞之受光強度定義為I，其中該等電荷暫存胞係在每一上述之位移讀取時間△τ 1 將一感應電荷量依序位移傳送至該讀出暫存器，各感應電荷量包含一實際影像電荷量與一拖曳亮影電荷量，且該感應電荷量係藉由感測而獲得；(b)在每一CCD感應胞之一曝光時間為τ 時，利用該位移讀取時間△τ 1 、該位移清除時間△τ 2 、該受光強度I、該CCD之一漏光率η 以及該CCD之一受光量-感應電荷 量轉換常數k1 ，對各CCD感應欄之每一像素建立一由該感應電荷量、該實際影像電荷量與該拖曳亮影電荷量所組成之一感應電荷方程式，據以從各CCD感應欄獲得一由h個上述之感應電荷方程式所組成之聯立方程組，上述h個感應電荷方程式中之第j個感應電荷方程式為,N j 為上述h個像素中之第j個像素之該感應電荷量，k1 τ Ij 為上述h個像素中之第j個像素之該實際影像電荷量，()為上述h個像素中之第j個像素之該拖曳亮影電荷量，而該第j個感應電荷方程式中，為上述h個像素中之第j個像素之一讀取漏電荷量，為上述h個像素中之第j個像素之一清除漏電荷量；以及(c)自該聯立方程組中計算出各CCD感應欄之各像素之上述該實際影像電荷量。
- 如申請專利範圍第1項所述之拖曳亮影現象補正方法，其中該步驟(b)更包含一步驟(b1)，其係依據該漏光率η 、該曝光時間τ 、該位移讀取時間△τ 1 與該位移清除時間△τ 2 計 算出一第一漏光關聯參數ε 1 與一第二漏光關聯參數ε 2 ，該第一漏光關聯參數ε 1 與該第二漏光關聯參數ε 2 係滿足下列關係式：ε 1 =η △τ 1 /τ ，ε 2 =η △τ 2 /τ 。
- 如申請專利範圍第2項所述之拖曳亮影現象補正方法，其中該步驟(b)更包含一步驟(b2)，其係將各聯立方程組中之h個上述之感應電荷方程式改寫為h個計量運算(count calculation)方程式，且上述h個計量運算方程式中之第j個計量運算方程式係為，其中S j 為上述h個像素中之第j個像素之該感應電荷量所對應之一感應電荷計量轉換值，為上述h個像素中之第j個像素之該實際影像電荷量所對應之一實際影像電荷計量轉換值，()為上述h個像素中之第j個像素之該拖曳亮影電荷量所對應之一拖曳亮影電荷計量轉換值。
- 如申請專利範圍第3項所述之拖曳亮影現象補正方法，其中該計量運算方程式中，為上述h個像素中之第j個像素之讀取漏電荷量所對應之一讀取漏電荷計量轉換值，為上述h個像素中之第j個像素之清除漏電荷量所 對應之一清除漏電荷計量轉換值。
- 如申請專利範圍第3項所述之拖曳亮影現象補正方法，其中該步驟(c)更包含一步驟(c1)，係利用疊代法計算該上述h個計量運算方程式，藉以計算出上述h個分別對應於各CCD感應欄之上述h個像素之實際影像電荷計量轉換值。
- 如申請專利範圍第3項所述之拖曳亮影現象補正方法，其中該步驟(c)更包含一步驟(c2)，係對疊代法預設一停止條件，並在滿足該停止條件時，終止利用疊代法計算上述h個計量運算方程式，並同時擷取上述h個分別對應於各CCD感應欄之上述h個像素之實際影像電荷計量轉換值。
- 如申請專利範圍第3項所述之拖曳亮影現象補正方法，其中該步驟(c)更包含一步驟(c3)，係將各像素之感應電荷計量轉換值扣除該拖曳亮影電荷計量轉換值，藉以使各像素獲得經過補正後之該實際影像電荷計量轉換值。
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| EP0777380A1 (en) * | 1995-11-29 | 1997-06-04 | Sanyo Electric Co. Ltd | Method for calculating the smear charges in a solid state image sensing device and apparatus for reducing it |
| US20020186308A1 (en) * | 2001-06-08 | 2002-12-12 | Baer Richard L. | Apparatus and method for reducing smear in digital images captured using frame-transfer CCD sensor |
-
2010
- 2010-09-21 TW TW99131963A patent/TWI420903B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0777380A1 (en) * | 1995-11-29 | 1997-06-04 | Sanyo Electric Co. Ltd | Method for calculating the smear charges in a solid state image sensing device and apparatus for reducing it |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201215127A (en) | 2012-04-01 |
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